基于MoS2高密度和高性能的大規(guī)模柔性集成電路的制造挑戰(zhàn)

原子薄二硫化鉬（MoS2）具有優(yōu)異的機(jī)械、光學(xué)和電子性能，是一種很有前途的集成柔性電子器件半導(dǎo)體材料。然而，基于MoS2高密度和高性能的大規(guī)模柔性集成電路的制造仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。這篇文章實(shí)現(xiàn)了使用四英寸晶圓級(jí)MoS2單層在柔性襯底上制造透明MoS2基晶體管和邏輯電路。使用了改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積工藝來(lái)生長(zhǎng)具有大晶粒尺寸的晶片級(jí)單層，并使用金/鈦/金電極，接觸電阻低至2.9 kΩ/μm。場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有高器件密度（每cm2 1518個(gè)晶體管）和高成品率（97%），并且具有高開(kāi)關(guān)比（1010）和高電流密度（約35?μA/μm），遷移率（~55?cm2V?1s?1）和靈活性。我們還使用這種方法構(gòu)建了多種的集成邏輯電路：反相器、NOR門、NAND門、AND門、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和五階環(huán)形振蕩器。

圖1 柔性基MoS2集成電路，bc為材料生長(zhǎng)，d為HRTEM圖

從2寸到4寸工藝改進(jìn)：通過(guò)擴(kuò)大生長(zhǎng)室并添加更多硫和氧化鉬的蒸發(fā)池來(lái)重新設(shè)計(jì)我們的化學(xué)氣相沉積（CVD）系統(tǒng)，每個(gè)蒸發(fā)池中的載氣獨(dú)立流動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)控制和穩(wěn)定；藍(lán)寶石襯底被加載到我們的生長(zhǎng)室中，晶圓表面直接面向蒸發(fā)池，以保證前體向4英寸藍(lán)寶石襯底的穩(wěn)定質(zhì)量通量運(yùn)輸。該工藝生長(zhǎng)的MoS2樣品具有更大的晶粒尺寸平均約為20 μm。柔性襯底PET上的MoS2樣品由藍(lán)寶石襯底上轉(zhuǎn)移而來(lái)。

圖2 MoS2晶體管性能，主要包括接觸優(yōu)化，遷移率改善

器件的源漏電極接觸金屬為Au（3 nm）/Ti（3 nm）/Au（30 nm），相對(duì)于Ti/Au電極，接觸性能有了很大的改善。文章補(bǔ)充材料中給出的解釋是3 nm的插層金屬Au一方面保證了電極和MoS2接觸界面出MoS2薄膜的潔凈度和無(wú)損，另外也起到了n型摻雜的作用。

圖3 MoS2晶體管柔性特性測(cè)試

圖4 各種邏輯電路顯微鏡照片集測(cè)試結(jié)果